L’extinction de masse de la fin du Dévonien expliquée

L’une des cinq grandes extinctions que la vie a connue depuis le début du Cambrien il y a 541 Ma (millions d’années) s’est produite à la fin du Dévonien, période allant de 419 à 359 Ma. Cette période géologique est marquée par l’apparition des arbres et le développement des forêts sur les continents, ainsi que par la transformation des certains sarcoptérygiens, les poissons à nageoires charnues, en tétrapodes : des vertébrés à quatre pattes qui restent inféodés aux milieux aquatiques. Ce sont des amphibiens.

Pourtant, pendant que la vie continue à prospérer sur les continents, où plantes et arthropodes ne paraissent pas touchés, les espèces marines sont décimées. Les trilobites (des arthropodes propres au Paléozoïque), les brachiopodes (des animaux ressemblant aux mollusques bivalves : huîtres, moules), les céphalopodes (des mollusques dont la tête est munie de tentacules : nautiles, pieuvres, sèches) sont très affectés. Les placodermes, des poissons cuirassés, sont exterminés. Les récifs coralliens disparaissent également, mais les coraux continuent à vivre de manière isolée.

Que penser d’une grande extinction qui a affecté la mer et les océans mais pas les continents ? La théorie de loin la plus solide l’attribue, précisément, au développement des forêts. L’altération des sols par la végétation aurait rejeté dans les mers de grandes quantités de nutriments, notamment des phosphates et des nitrates. Il se serait alors produit ce que l’on appelle une eutrophisation : ces nutriments permettent aux cyanobactéries et aux algues de se multiplier. Si ces organismes ne sont pas dispersés par les courants, ils coulent au fond de l’eau où ils sont décomposés par des bactéries consommant de l’oxygène. L’eau devient alors anoxique, causant l’asphyxie des animaux respirant ce gaz. Pire, ces bactéries émettent du sulfure d’hydrogène (ce gaz à odeur d’œuf pourri), de l’ammoniac et du méthane, ainsi que du dioxyde de carbone qui n’est pas relâché dans l’atmosphère mais acidifie l’eau.

L’anoxie marine a d’abord été démontrée grâce à des calcaires bitumineux (contenant de la matière organique) d’Allemagne : c’est l’évènement Kellwasser. Par la suite, deux évènements ont été distingués. Le premier s’est produit pendant le Frasnien (de 383 à 372 Ma). Le second coïncide avec la limite entre le Frasnien et le Famenien (de 372 à 359 Ma), les deux derniers étages du Dévonien. Les dépôts de matière organique sont rendus possibles par l’anoxie, puisque l’oxygène ne peut participer à leur dégradation. C’est ainsi que les hydrocarbures se forment au fond des mers. Pour que cette explication de la crise soit étayée, il fallait trouver d’autres endroits où l’anoxie s’était également produite. On sait maintenant que les marges continentales de trois continents du Dévonien, la Laurussia (où se trouvait alors l’Allemagne), la Sibérie et le Gondwana, ont été affectées, mais aussi des îles situées en plein océan. Des sédiments déposés près de ces îles ont été trouvés en 2013 à l’ouest de la Chine, dans la région du Tarim. C’était à l’époque un petit continent isolé.

Une équipe de scientifiques japonais et vietnamiens vient de trouver des indices de ces évènements au nord du Vietnam, dans la région de Ðồng Văn à l’extrême nord du pays. Ce n’est pas une très grande surprise puisque de tels indices ont également été découverts de l’autre côté de la frontière, dans la province chinoise du Guangxi. Il s’agit des sites de Dongcun et Yangdi, près de la ville de Guilin et de sa très célèbre rivière Li, ainsi que de Fuhe. On sait que le nord-est du Vietnam et la Chine du Sud font partie de la même plaque lithosphérique. Ils ont donc une histoire géologique commune qui remonte au-delà du Dévonien. Toutefois, chaque nouvel indice vient renforcer la théorie de l’eutrophie.

Coup d’œil sur la géologie du Vietnam

La limite méridionale de cette plaque de Chine du Sud coïncide avec le Fleuve Rouge. Il s’écoule en ligne droite de la province chinoise du Yunnan vers le sud-est, arrose Hanoï, la capitale du Vietnam, et se jette dans le golfe du Tonkin. La vallée de ce fleuve est en fait une gigantesque faille le long de laquelle la plaque indochinoise coulisse vers le sud-est contre la plaque de Chine du Sud. Ce déplacement, estimé à plus de 300 km durant le Cénozoïque, est causé par le poinçonnement de l’Asie par l’Inde.

Ce bloc nord-est du Vietnam a fréquemment séjourné sous la mer depuis le Cambrien et a accumulé une grande épaisseur de sédiments. Durant le Silurien supérieur, de 2000 à 3500 mètres de strates se sont accumulées, avec des fossiles de graptolites, (des animaux flottants vivant en colonie), de brachiopodes, de trilobites et d’acritarches (des organismes unicellulaires). Les strates du Dévonien inférieur (de 419 à 393 Ma) ont une épaisseur de 600 à 700 mètres et sont des dépôts continentaux comportant des fossiles de poissons d’eau douce, reposant de manière discordante (après une phase d’érosion) sur les sédiments du Paléozoïque inférieur. Dans le cours inférieur de la rivière Da, ce sont des formations carbonatées et des produits de l’érosion reposant de manière concordante sur les sédiments siluriens et comportant des fossiles de brachiopodes. Les strates du Dévonien moyen (de 393 à 383 Ma) sont composées principalement de 500 mètres de carbonates contenant de nombreux restes de coraux. Enfin, les strates qui nous intéressent, celles du Dévonien supérieur (de 383 à 359 Ma), avec une épaisseur de 200 mètres, affleurent sur des zones limitées. Les strates sont des calcaires siliceux lités contenant des assemblages de conodontes du Frasnien et du Famenien (de 372 à 359 Ma). L’évènement du Kellwasser inférieur s’est produit dans la zone à conodontes Palmatolepis rhenana, tandis que l’évènement du Kellwasser supérieur coïncide avec la limite Frasnien-Famenien. Ce territoire se trouvait alors à l’équateur. L’histoire ne s’arrête pas là. La sédimentation se poursuit au Carbonifère avec du calcaire à foraminifères abondants. Ce sont des protozoaires.

Ces couches de sédiments autrefois déposés dans la mer constituent à présent des montagnes dans laquelle les échantillons de roches et les fossiles ont été prélevés. Ces roches sont des calcaires lités, des marnes (mélanges de calcaire et d’argiles) et des mudstones siliceux. Les mudstones, littéralement « roches de boue » en anglais, sont des grès contenant un mélange de sables et d’argiles, ces dernières constituant au moins les trois quarts de la roche et faisant office de matrice boueuse. Il y a aussi des brèches, c’est-à-dire des fragments de calcaire (dont des squelettes de coraux), déposées par des coulées de débris. On peut imaginer que ces calcaires se formaient sur des plateformes carbonatées peu profondes, en bordure de continent, et qu’ils dévalaient de temps en temps le talus continental pour s’accumuler en contrebas. Ces coulées sont en quelque sorte des avalanches de fragments de roches mêlés à de l’eau. Les fossiles qu’elles comportent sont des éléments de conodontes (des animaux en forme de ver ayant laissé des éléments ressemblant à des dents), des tentaculites (ou plus largement des tentaculoïdes), des ostracodes (des crustacés microscopiques) et des brachiopodes. Les marnes se déposaient de manière plus calme et comportent également des fossiles. Les tentaculites sont des animaux marins ayant vécu dans des tubes calcaires jusqu’à la fin du Dévonien. Sur ce site du Vietnam, on assiste quasiment à leur disparition lors des deux évènements Kellwasser.

Ces évènements se reflètent dans le rapport des isotopes du carbone 13 et du carbone 12 des calcaires. Dans la nature, le carbone est composé à 98,89 % de ¹²C et 1,11 % de ¹³C. Il y a de très légères variations dues à l’activité des organismes vivants. Ainsi, les organismes photosynthétiques absorbent plus de carbone 12 que de carbone 13. Ils contribuent donc à l’enrichissement en carbone 13 de leur environnement. Les pics de la proportion de carbone 13 sont attribués à des épisodes d’enfouissement de matière organique, comme dans le cas des évènements Kellwasser. Les calcaires de Si Phai ont deux pics qui leur correspondent. On devrait aussi observer des accumulations de matière organique. Il n’y en a pas sur ce site, mais à moins de dix kilomètres de là. Les zones de Mèo Vạc et de Trà Lĩnh comportent des carbonates du Dévonien supérieur intercalés avec d’épaisses couches de black shales, des argiles noires. Il y a bien eu des périodes d’anoxie à cette époque dans le futur Vietnam.

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Toshifumi Komatsu et al., The Kellwasser events in the Upper Devonian Frasnian to Famennian transition in the Toc Tat Formation, northern Vietnam, Island Arc. 2019.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/iar.12281